РНК сами регулируют свою судьбу

В процессе транскрипции ДНК считывается в молекулы матричной РНК (мРНК). Учёные хорошо понимают, как этот процесс начинается, но менее ясно, как клетка понимает, когда остановиться.

Новое исследование из лабораторий Ричарда Янга (Институт Уайтхеда, MIT) и Арупа К. Чакраборти (MIT) показывает, что молекулы РНК сами регулируют своё образование через петлю обратной связи. Слишком мало РНК — клетка запускает транскрипцию. При достижении определённого порога избыток РНК останавливает процесс.

Работа, опубликованная в Cell 16 декабря, даёт представление о потенциальной роли тысяч некодирующих РНК, которые не превращаются в белки, но распространены у млекопитающих.

Вопрос о конденсатах

Предыдущие работы лаборатории Янга были сосредоточены на транскрипционных конденсатах — клеточных каплях, объединяющих молекулы, необходимые для транскрипции. Они образуются при начале процесса и растворяются через несколько секунд или минут после его завершения.

Исследователи предположили, что на растворение конденсатов может влиять химическое свойство производимой РНК — её сильный отрицательный заряд. Это был бы пример регуляции клеточных процессов через механизм обратной связи.

Первые эксперименты in vitro подтвердили: в пределах физиологических уровней, наблюдаемых в клетках, низкий уровень РНК способствует образованию капель, а высокий — препятствует.

Моделирование и эксперименты

Постдоки Озгур Оксуз и Джон Хеннингер совместно с физиком Кришной Шринивасом создали вычислительную модель для изучения взаимодействий между активно транскрибируемой РНК и конденсатами из транскрипционных белков.

"Модель помогает выделить простейшие черты такой системы, а затем можно проводить более прогностические эксперименты в клетках", — сказал Хеннингер.

Серия моделирований и экспериментов подтвердила гипотезу: влияние РНК на транскрипцию обусловлено её высоким отрицательным зарядом. Низкие начальные уровни РНК усиливают образование конденсатов, а последующие высокие уровни — растворяют их. Поскольку заряд несут фосфатные группы в "хребте" РНК, эффективный заряд молекулы прямо пропорционален её длине.

Проверка в живой клетке

Исследователи создали эмбриональные стволовые клетки мыши со светящимися конденсатами. При химическом нарушении фазы элонгации транскрипции нехватка РНК, растворяющей конденсаты, увеличила размер и время жизни капель. И наоборот, индуцированная выработка дополнительных РНК приводила к растворению конденсатов.

"Эти результаты подчёркивают важность понимания того, как неравновесные механизмы обратной связи регулируют функции биомолекулярных конденсатов в клетках", — сказал Чакраборти.

Значение для науки и медицины

Это открытие может объяснить функцию некодирующих РНК, составляющих большую часть генетического материала млекопитающих.

"Тот факт, что молекулы РНК могут регулировать транскрипционные конденсаты, заставляет задуматься, не функционируют ли многие некодирующие виды просто локально, чтобы настраивать экспрессию генов по всему геному", — сказал Янг.

Понимание этой новой роли РНК может помочь в разработке терапии для широкого спектра заболеваний, вызванных изменённой экспрессией отдельных генов. Модуляция уровня РНК предсказуемо влияет на конденсаты, что потенциально позволяет "настроить" экспрессию гена для лечения болезни.

"РНК — важная мишень. Понимание того, как молекулы РНК регулируют экспрессию генов, устраняет разрыв между нарушением регуляции генов при заболевании и новыми терапевтическими подходами, нацеленными на РНК", — добавил Янг.